Nel 1905, Albert Einstein capovolse il mondo della fisica teorica pubblicando un'opera nella disciplina che in seguito sarebbe stata chiamata teoria della relatività speciale. Ha dimostrato che lo spazio e il tempo non possono essere considerati entità assolute: il tempo può accelerare o rallentare, le lunghezze standard possono contrarsi, le masse possono aumentare.
E, il risultato più famoso, l'equivalenza della massa di energia, e la loro proporzione è espressa attraverso l'equazione E = mc².
Nessuno mette in dubbio il genio di Einstein, che formulò la relatività generale, ma è generalmente accettato che se non avesse pubblicato la sua teoria nel 1905, qualche altro fisico l'avrebbe presto fatto al suo posto.
"Croce di Einstein" - quattro immagini di un quasar distante, ottenute grazie al fatto che la sua luce si piega attorno alla galassia situata più vicino a noi, funzionando come una lente gravitazionale.
Fu solo nel 1915 che Einstein dimostrò il suo genio pubblicando la sua teoria della relatività generale. Ha sostenuto che la curvatura dello spazio-tempo è proporzionale e si verifica anche a causa della "densità di quantità di energia", cioè l'energia e la quantità di moto associate a qualsiasi materia in un volume unitario di spazio.
Questa affermazione è stata confermata quando ha coinciso con le osservazioni dell'insolita orbita di Mercurio e con la luce delle stelle che si piegavano attorno al Sole.
Negli ultimi cento anni, la relatività generale è stata testata con incredibile accuratezza e ha superato la prova ogni volta. La relatività generale è diventata un balzo in avanti così gigantesco che si può dire che se Einstein non l'avesse formulata, potrebbe rimanere sconosciuta per molto tempo.
Il percorso verso la relatività generale
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Nel 1907, Einstein ebbe il "pensiero più felice di una vita" mentre sedeva su una sedia nell'ufficio brevetti di Berna:
Se una persona cade liberamente, non sente il suo peso.
Lo ha condotto alla formulazione del "principio di equivalenza", secondo il quale è impossibile distinguere tra il sistema di riferimento in accelerazione e il campo gravitazionale. Ad esempio, se ti trovi sulla Terra, ti sembrerà esattamente come se fossi in piedi su un'astronave che si muove a un'accelerazione di 9,81 m / s² - con l'accelerazione di gravità sulla Terra.
Questo è stato il primo grande passo verso la formulazione di una nuova teoria della gravità.
Einstein credeva che "tutta la fisica è geometria". Voleva dire che lo spazio-tempo e l'Universo possono essere pensati in termini geometrici. La conclusione più sorprendente della relatività generale, la natura dinamica del tempo e dello spazio, apparentemente portò Einstein alla necessità di ripensare lo spazio-tempo "geometrico".
Einstein condusse una serie di accurati esperimenti mentali confrontando le osservazioni fatte dagli osservatori in sistemi di riferimento inerziali e rotanti.
Ha stabilito che per un osservatore in un sistema di riferimento rotante, lo spazio-tempo non può essere euclideo, cioè come quella geometria piatta che tutti noi studiamo a scuola. Dobbiamo introdurre lo "spazio curvo" nel nostro ragionamento per spiegare le anomalie previste dalla relatività. La curvatura diventa il secondo assunto più importante a sostegno della sua relatività generale.
Per descrivere lo spazio curvo, Einstein si è rivolto a un'opera precedente di Bernard Riemann, un matematico del XIX secolo. Con l'aiuto del suo amico Marcel Grossmann, anche lui matematico, Einstein trascorse diversi anni noiosi studiando la matematica degli spazi curvi, quella che i matematici chiamano "geometria differenziale". Einstein ha osservato che "rispetto alla comprensione della gravità, la relatività speciale sembrava un gioco da ragazzi".
Einstein ora aveva l'apparato matematico per portare a compimento la teoria. Il principio di equivalenza afferma che un sistema di riferimento in accelerazione è equivalente a un campo gravitazionale. Come risultato dei suoi studi in geometria, credeva che il campo gravitazionale fosse una semplice manifestazione dello spazio-tempo curvo. Pertanto, ha potuto dimostrare che i sistemi di riferimento in accelerazione erano spazi non euclidei.
Sviluppo
Il terzo passo più importante è stata l'eliminazione delle difficoltà nell'applicazione della relatività generale alla gravità newtoniana. Nella teoria della relatività speciale, la costanza della velocità della luce in tutti i sistemi di riferimento e l'affermazione che la velocità della luce è la velocità massima raggiungibile, contraddiceva la teoria della gravità di Newton, che postulava l'istantaneità dell'azione della gravità.
In poche parole, la gravità newtoniana diceva che se il sole fosse stato rimosso dal centro del sistema solare, l'effetto gravitazionale di questo evento si sarebbe sentito immediatamente sulla Terra. Ma SRT dice che anche l'effetto della scomparsa del Sole si muoverà alla velocità della luce.
Einstein sapeva anche che l'attrazione gravitazionale di due corpi è direttamente proporzionale alle loro masse, che seguiva da F = G * M * m / r² di Newton. Pertanto, la massa ha determinato chiaramente la forza del campo gravitazionale. SRT dice che la massa è equivalente all'energia, quindi la densità energia-momento dovrebbe anche determinare la forza di gravità.
Di conseguenza, i tre presupposti chiave utilizzati da Einstein per formulare la sua teoria erano:
1. Nei sistemi di riferimento rotanti (non inerziali), lo spazio è curvo (non euclideo).
2. Il principio di equivalenza dice che i sistemi di riferimento accelerati sono equivalenti ai campi gravitazionali.
3. L'equivalenza di massa ed energia segue da SRT, e dalla fisica newtoniana segue che la massa è proporzionale alla forza di gravità.
Einstein fu in grado di concludere che la densità di quantità di energia crea ed è proporzionale alla curvatura dello spazio-tempo.
Non si sa quando ha avuto la sua "intuizione", quando è stato in grado di risolvere questo enigma e mettere in relazione massa / energia con la curvatura dello spazio.
Dal 1913 al 1915, Einstein pubblicò diversi articoli, mentre lavorava al completamento della relatività generale. In alcuni lavori sono stati riscontrati errori, che hanno portato Einstein a perdere tempo in inutili distrazioni nel ragionamento teorico.
Ma il risultato netto, che la densità dell'energia-momento piega lo spazio-tempo, come una palla da bowling è un foglio di gomma teso, e che il movimento della massa in un campo gravitazionale dipende dalla curvatura dello spazio-tempo è, senza dubbio, la più grande ipotesi fatta dall'intelligenza umana.
Handicap
Per quanto tempo avremmo capito la gravità se non fosse stato per il genio di Einstein? È possibile che dovremmo aspettare questo per molti decenni. Ma nel 1979 l'enigma sarebbe sicuramente uscito. In quell'anno, gli astronomi scoprirono i "quasar gemelli", QSO 0957 + 561, il primo quasar ad osservare le lenti gravitazionali.
Questa sorprendente scoperta può essere spiegata solo dalla curvatura dello spazio-tempo. Per lui, probabilmente, avrebbero dato il premio Nobel, se non fosse stato per il genio di Einstein. O forse dovrebbe ancora essere data fuori.
